【화학】 2013 MEET/DEET 화학

2013 MEET/DEET 화학 

 

추천글 : 【화학】 MEET/DEET 화학 풀이 

---

 

1. 그림 ㈎와 ㈏는 수소 원자의 두 가지 원자 오비탈의 모양과 방사 방향 확률 분포 함수 f(r)를 각각 나타낸 것이다. 수소 원자 오비탈 ㈎와 ㈏에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

○ 오비탈 이론 

○ ㄱ : ㈎는 구형 오비탈이므로 s 오비탈이고, 3 = 방사방향 마디의 수 = n - ℓ - 1 = n - 1이므로 n = 4

○ ㄴ : ㈏는 전형적인 d 오비탈 모양이고, 0 = 방사방향 마디의 수 = n - ℓ - 1 = n - 2 - 1 = n - 3이므로 n = 3. 전체 마디 면의 수는 n - 1이므로 ㈎와 ㈏는 n이 달라 전체 마디 면의 수도 다름 

 

출처 : 이미지 클릭

 

○ ㄷ : 수소 원자의 경우 가리움 효과가 없어 에너지 준위는 주양자수 n에 의해 결정됨. 구체적으로는, 보어 원자 모형에 따라 E_n = -Ry Z²/n² (단, Ry = 1312 kJ/mol)과 같이 정해짐 

 

 

2. 다음은 탄소 원자 두 개를 포함하는 탄화 수소 이온이다.

 

H₂CCH⁺, H₃CCH₂⁺, H₃CCH₂^-

 

가장 타당한 루이스 구조를 근거로, 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론과 원자가 결합 이론을 적용하여 세 이온에 대해 설명한 것으로 옳지 않은 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ 각 탄화 수소 이온의 가장 타당한 루이스 구조 

 

① sp³ 탄소가 carbocation이 되면 sp² 혼성이 되는 것처럼, sp² 탄소가 carbocation이 되면 sp 혼성이 됨. 이는 기본적으로 CH⁺의 탄소가 결합각이 180°인 선형 구조를 취하는 게 가장 자연스럽기 때문이기도 함  

② CCH₂⁺ 부분에 있는 C⁺ 탄소가 sp² 혼성이기 때문에 삼각 평면 구조를 취함 

③ C^- 탄소가 C-C 결합, C-H 결합, C-H 결합에 각각 2개씩 전자를 공유하고 있고, 이 밖에 한 쌍의 비공유 전자쌍을 가짐 (옥텟 규칙 만족)

④ ∠(H-C-H)는 H₂CCH⁺에서 120°이고 (∵ 삼각 평면 구조), H₃CCH₂^-의 CH₂^-에서 약 100° 내외임 (∵ 정사면체 구조. 참고로, 비공유 전자쌍과 C-H 결합의 반발력이 C-H 결합 간의 반발력보다 더 큼)

⑤ 두 탄소 간의 결합 차수는 H₂CCH⁺, H₃CCH₂⁺, H₃CCH₂^-에서 각각 2, 1, 1. 참고로, 공명을 할 여지는 없음

 

 

3. 그림 ㈎는 부피 V인 실린더에 A 기체가, 부피 2V인 반응 용기에 B 기체가 들어 있는 것을, 그림 ㈏는 콕을 열고 피스톤을 밀어 A와 B를 섞었을 때 반응이 진행되기 전을, 그림 ㈐는 A와 B가 반응하여 C 기체를 생성한 후를 분자 모형으로 사용하여 나타낸 것이다. A ~ C의 분자 수는 각 모형 수에 비례하고 ㈎ ~ ㈐의 온도는 같다. 기체의 분자 운동론을 적용하여 이에 대해 설명한 것으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, 연결관의 부피는 무시한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 기체 분자 운동론 

○ ㄱ : 기체 분자의 평균 운동 에너지는 온도에 비례하므로 ㈎, ㈏, ㈐ 모두에서 A 분자의 평균 운동 에너지는 동일함 

○ ㄴ : P = nRT / V이므로 P_A : P_B = 6 × 1 × 1 / 1 : 6 × 1 × 1 / 2 = 2 : 1

○ ㄷ : v_rms = √(3RT / M)이므로 v_rms,B : v_rms,C = √M_C : √M_B = √(3M_B/2 + M_A/2) : √M_B이므로 v_rms,B > v_rms,C

 

 

4. 표는 질소 화학종과 관련된 열화학 자료를 나타내고, 그림은 N의 원자 오비탈로부터 만들어진 N₂의 분자 오비탈 에너지 준위를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, 이온화는 오비탈의 에너지 준위를 변화시키지 않는다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 분자 오비탈 이론 

○ ㄱ, ㄷ : N₂의 분자 오비탈은 위에서부터 σ_2p*, π_2p*, σ_2p, π_2p이고 N₂의 HOMO(가장 높은 에너지를 갖는 전자의 에너지 준위)는 σ_2p. 그러므로 N₂의 1차 이온화 에너지 = E_∞ - E_σ2p > N₂의 1차 이온화 에너지 = E_∞ - E_2p = 1400 kJ/mol 

○ ㄴ : N₂의 결합 차수 = 3이고, N₂⁺의 결합 차수는 2.5이므로 N₂의 결합 에너지가 N₂⁺의 결합 에너지보다 큼

 

 

5. 그림은 CuCl₂ 수용액에 NH₃ 수용액을 가하는 과정에서 침전이 생겼다가 사라지는 변화를 단계적으로 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ④

○ 착물화학

출처: 이미지 클릭

 

○ ㄱ : CuCl₂ 수용액에서 Cu²⁺ 이온은 물 분자와 배위 결합을 형성함. 수용액 상태에서는 Cu²⁺ 이온이 물 분자 6개와 결합하여 [Cu(H₂O)₆]²⁺라는 배위수 6을 가지는 착물을 형성

○ ㄴ : Cu²⁺ + 2OH−→Cu(OH)₂(s), 즉 CuCl₂(aq) + 2NH₄OH → Cu(OH)₂ + 2NH₄Cl 반응을 수행

○ ㄷ : 평면사각형 배위를 따르는 [Cu(NH₃)₄]²⁺ (왼쪽) 및 팔면체 배위를 따르는 [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ (오른쪽) 모두 주 생성 착이온의 쌍극자 모멘트가 0

 

 

 

6. 그림은 25 ℃, 표준 상태에서 메테인(CH₄)이 생성되는 반응 경로와 각 단계의 반응열을, 표는 25 ℃에서 관련 화학종의 표준 생성 엔탈피(ΔH_f°)를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

○ 열역학 

○ ㄱ : CH₄(g)의 표준 생성 엔탈피 = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃

○ ㄴ : ΔH₁ = 4 × 220 = 880 kJ/mol. ΔH₂ = 720 kJ/mol

○ ㄷ : C-H 결합의 평균 결합 에너지 = CH₄(g)의 결합 에너지 / 4 = ( H_f(C(g)) + 4H_f(H(g)) - H_f(CH₄(g)) ) / 4 = (720 + 880 - (-80)) / 4 = 420 kJ/mol 

 

 

7. 그림 ㈎는 농도가 다른 비휘발성 용질의 수용액 100 mL와 300 mL를 각각 담고 있는 비커 A와 B가 밀폐된 용기에 들어 있는 상태를, 그림 ㈏는 이 두 용액이 평형에 도달했을 때의 상태를 나타낸 것이다. 그림 ㈏에서 비커 A와 B 용액의 부피는 각각 300 mL와 100 mL이며 비커 B 용액의 농도는 1.0 M이고 밀도는 1.05 g/mL이다. 용질과 물의 몰질량은 각각 60 g/mol과 18 g/mol이며, 온도는 일정하고 이 온도에서 순수한 물의 증기압은 100 Torr이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 용액은 이상 용액이다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 증기압 내림 

○ ㄱ : 그림 ㈏에서 A와 B의 비휘발성 용질의 몰분율을 각각 X_A, X_B라고 할 때, A의 증기압 = P_A = 100(1 - X_A) = B의 증기압 = P_B = 100(1 - X_B)이므로 X_A = X_B = X가 성립함. 그런데, 몰분율이 일정할 때 용질의 양은 용액의 부피에 비례하므로 맞는 설명 

○ ㄴ : 그림 ㈏에서 A의 몰농도는 B와 같은 1.0 M이므로 그림 ㈎에서 A의 몰농도는 부피를 고려하여 3.0 M

○ ㄷ : 그림 ㈏에서 B의 부피는 100 mL, B의 질량은 105 g, B의 용질은 0.1 mol (= 6 g), B의 용매는 99 g (= 5.5 mol)이므로 B의 증기압은 100(1 - 0.1/(0.1 + 5.5)) = (55/56) × 100 Torr

 

 

8. 그림 ㈎와 ㈏는 298 K와 373 K에서 A(g) ⇄ B(g) 반응계의 자유 에너지(G)를 B의 몰분율에 따라 각각 나타낸 것이다. 이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 주어진 온도 구간에서 반응 엔탈피와 반응 엔트로피는 일정하다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ 열역학 

○ ㄱ : 온도가 증가하면 B가 더 많이 생성되는 방향으로 반응이 이동하므로 정반응 A(g) → B(g)은 흡열 반응

○ ㄴ : 즉, B의 몰분율이 0.5일 때 평형 지점으로 이동하려면 B의 몰분율이 감소해야 하므로 역반응이 우세해야 함

○ ㄷ : ΔG = ΔG° + RT ln K = 0이므로 ΔG° = -RT ln K가 반드시 0인 것은 아님 

 

 

9. 다음은 제산제의 주성분인 탄산수소 소듐(NaHCO₃, 화학식량 84.0 g/mol)의 제산 반응식이다.

 

NaHCO₃ (aq) + HCl (aq) → NaCl (aq) + H₂O (ℓ) + CO₂ (g)

 

제산제 중 NaHCO₃의 함량을 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 제산제에는 NaHCO₃ 외의 다른 산 또는 염기는 없다.)

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ ㄱ, ㄴ : 맞는 설명 

○ ㄷ : 계산 과정

15.0 mL × 0.100 M = 1.5 mmol NaOH = 25.0 mL × 0.100 M - NaHCO₃의 초기 몰수

⇔ NaHCO₃의 초기 몰수 = 1.0 mmol 

⇔ NaHCO₃의 초기 질량 = 1.0 mmol × 84.0 g/mol = 84 mg = 0.084 g

 

 

10. 그림은 25 ℃에서 약산 HA 수용액과 약산 HB 수용액의 pH에 따른 각 산의 산 해리도( [A^-] / ([HA] + [A^-])와 [B^-] / ([HB] + [B^-]) )를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

○ 산·염기 이론과 핸더슨-하셀바흐 방정식

○ ㄱ : 산 해리도가 0.50일 때 pH가 곧 pK_a이므로 HA의 K_a = 10^-8, HB의 K_a = 10^-9 

○ ㄴ : HB의 K_b = 10^-14 / 10^-9 = 10^-5이므로 [OH^-] = x, x² / (0.10 - x) = 10^-5으로부터 x = [OH^-] = 10^-3, [H⁺] = 10^-11, pH = 11을 얻을 수 있음 

○ ㄷ : pH = 10 = pK_a + log ([B^-] / [HB]) = 9 + log ([B^-] / [HB])로부터 [B^-] : [HB] = 10 : 1이므로 a = 10 / 11

 

 

11. 표는 핵종 ㈎ ~ ㈑의 양성자 수와 중성자 수를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 핵화학 

① ㈎와 ㈏는 원자번호(= 양성자 수)가 다르므로 동위원소 관계가 아님

② 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수이므로 ㈎와 ㈑의 질량수는 다름

③ 베타 붕괴는 중성자 수가 1 감소하고, 양성자 수가 1 증가하는 반응 

④ 양전자 방출은 중성자 수가 1 증가하고, 양성자 수가 1 감소하는 반응 

⑤ 알파 붕괴는 헬륨 원자핵(중성자 2개, 양성자 2개)이 방출되는 반응 

 

 

12. 그림은 AgCl로 포화된 수용액 100 mL에 3.0 M NH₃ 수용액을 가했을 때, 넣어 준 NH₃ 수용액의 부피에 대해서 생성된 Ag(NH₃)₂⁺의 농도를 나타낸 것이다. 표는 수용액에서 Ag⁺과 관련된 평형 반응식과 평형 상수이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 모든 과정에서 용액은 AgCl(s)과 평형을 유지한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

○ B의 경우 : 전체 부피 150 mL. NH₃는 1.0 M이 됨. 

○ ㄱ : 맞는 설명 

○ ㄴ : 계산 과정 

Eq 1. [Ag(NH₃)₂⁺] / ([Ag(NH₃)⁺] × [NH₃]) = 8.1 × 10³ 

Eq 2. [Ag(NH₃)⁺] / ([Ag⁺] × [NH₃]) = 2.1 × 10³ 

Eq 3. [Ag⁺][Cl^-] = 1.8 × 10^-10 

Eq 4. [Ag(NH₃)₂⁺] + [Ag(NH₃)⁺] + [Ag⁺] = [Cl^-]

이때, [NH₃]는 B에서 1.0 M, C에서 1.5 M이므로 위 식에서 [Ag(NH₃)₂⁺], [Ag(NH₃)⁺], [Ag⁺], [Cl^-]는 유일하게 결정됨 

NH₃ 수용액을 더 많이 첨가할수록 직관적으로 [Ag(NH₃)₂⁺], [Ag(NH₃)⁺]가 많아지므로 [Ag⁺]는 줄어듦 

○ ㄷ : 만약, [Cl^-] = 0.15 M이라면, 

[NH₃] = 1.5 M

[Ag⁺] = 1.2 × 10^-9 M

[Ag(NH₃)⁺] = (1.2 × 10^-9) × 1.5 × (2.1 × 10³) = 3.78 × 10^-6 M

[Ag(NH₃)₂⁺] = (3.78 × 10^-6) × 1.5 × (8.1 × 10³) = 0.045927 M

이 경우 Eq 4가 성립하지 않으므로 [Cl^-] = 0.15 M이 아님 

 

 

13. 다음은 납축전지에서의 환원 반쪽 반응식과 25 ℃에서의 표준 환원 전위(E°)이다.

 

PbO₂ (s) + HSO₄^- (aq) + 3H⁺ (aq) + 2e^- ⇄ PbSO₄ (s) + 2H₂O (ℓ), E° = 1.63 V

PbSO₄ (s) + H⁺ (aq) + 2e^- ⇄ Pb (s) + HSO₄^- (aq), E° = -0.30 V

 

그림은 완전히 충전된 납축전지 ㈎를 이용해서 방전된 납축전지 ㈏를 충전할 때의 연결 상태를 나타낸 것이다. 각 전극 단자의 부호는 납축전지에 표시되어 있는 전극 부호를 나타낸다. 스위치 S를 닫아 충전을 시작하였다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 두 축전지의 용량 및 규격은 같다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

○ 전기화학 

① 전극 B의 음전하는 점점 줄어듦으로 산화 반응을 통해 전자를 도선으로 흘려야 함 

② 전극 D는 양전하가 점점 증가하므로 산화 반응이 일어나고, 이로 인해 PbO₂ (s)가 생성됨 

③ 갈바니 전지는 전해 전지와 달리 자발적 반응이므로 ΔG < 0

④ 전해 전지이므로 반응이 중간에서 멈추지 않고, 끝까지 도달함. 그러므로 반응식은 PbO₂ (s) ⇄ Pb (s)과 같아서 알짜 HSO₄^- 변화량이 없으므로 황산 용액의 비중은 변하지 않음

⑤ 맞는 설명 

 

 

14. CO₂의 제거에 작용하는 탄산 무수화 효소의 활성화 자리를 모방한 모델 착물인 [L₃CoOH₂]²⁺에 의한 CO₂ 제거 반응의 메커니즘에서 중요한 두 반응 단계는 다음과 같다. L은 중성 한자리 리간드이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 착물화학 

○ ㄱ : 사면체 구조는 d_xy = d_yz = d_xz > d_z² = d_x²-y²와 같은 d 오비탈 구조를 가지고, Co⁺는 6개의 d 오비탈 전자를 가지므로 2개의 홀전자를 가짐 (상자기성). 만약 팔면체 구조였다면 홀전자인 d 오비탈 전자가 없어서 반자기성이 됨 

 

출처: 이미지 클릭

 

○ ㄴ : pH 7에서, [[L₃CoOH]⁺] [H⁺] / [[L₃CoOH₂]²⁺] = 1.0 × 10^-8 ⇔ [[L₃CoOH]⁺] : [[L₃CoOH₂]²⁺] = 1 : 10

○ ㄷ : 전자쌍을 제공하므로 루이스 염기 

 

 

15. 화학적 산소 요구량은 산소(O₂)가 오염 물질을 산화시킨 후 O^2-으로 환원되는 데 필요한 산소의 양을 화학적 산화제로부터 산출한 값이다. 산성 조건에서 MnO₄^-은 오염 물질을 산화시켜 Mn²⁺으로 환원되며 이때 소모된 MnO₄^-의 양을 측정하면 동일한 양의 오염 물질에 대한 화학적 산소 요구량을 계산할 수 있다. 표는 몇 가지 망간 화합물의 환원 반쪽 반응식과 25 ℃에서의 표준 환원 전위(E°)를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ ㄱ : 맞는 설명. 산화수 

○ ㄴ : Latimer diagram. ㈎ = (3 × 1.70 + 2 × 1.23) / 5 = 1.512 V

○ ㄷ : 0.20 mol의 MnO₄^-는 1.00 mol의 환원 전자와 대응되고, 0.25 mol O₂는 0.50 mol O^2-이 되어 1.00 mol의 환원 전자와 대응되므로 주어진 설명은 맞는 설명 

 

 

16. 다음은 과산화이황산 이온(S₂O₈^2-)과 아이오딘화 이온(I^-) 사이의 반응 속도식을 결정하는 실험이다. 위의 실험에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 온도는 20 ℃로 유지하였다.) 위의 실험에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 온도는 20 ℃로 유지하였다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① 용액 1이 20 mL, 용액 2가 20 mL, Na₂S₂O₃ 수용액이 10 mL이므로 0.0050 M Na₂S₂O₃의 농도가 5배 묽어지므로 과정 ㈐에서 S₂O₃^2-의 초기 농도는 0.0010 M이 됨

② 반응한 S₂O₈^2- (aq) 몰수 = 생성된 I₂ (aq) 몰수 = 소진된 S₂O₃^2- (aq)의 몰수 / 2 

③ 과정 ㈐에서 S₂O₈^2-의 초기 농도가 중요한 게 아니고, 결국 청색 반응이 일어나기 위해 S₂O₃^2-와 모두 반응할 수 있도록 0.0010 / 2 M의 I₂가 생성되는 게 중요함. 실험 1에서 그만큼 생성되는데 50 s가 걸렸으므로, 평균 반응 속도 = 0.0010 / 2 / 50 = 10^-5 M/s

④ 실험 1과 실험 2를 비교하면 반응속도는 [I^-]에 1차 비례하고, 실험 1과 실험 3을 비교하면 반응속도는 [S₂O₈^2-]에 2차 비례 

⑤ 기존보다 두 배 더 많은 Na₂S₂O₃를 사용하면 청색 반응이 나타나기 위해 더 많은 I2를 생성해야 하므로 시간이 2배 더 길어짐 

 

입력: 2024.12.19 11:50